5.4 Réglage des fréquences
5.4.1 Réglage de l'épaisseur de la SHI
Lors de la conception du motif nous avons xé la hauteur entre la surface périodique et la plan métallique (4mm), le tout réalisant une SHI. La variation de cette hauteur permet de faire varier les fréquences pour lesquelles le déphasage du coecient de réexion est nul. Pour abaisser la fréquence de résonance, comme nous le souhaitons pour pouvoir récupérer la bande L5 du GNSS, il faut augmenter l'é- paisseur de la SHI. Ceci est illustré par la Figure 5.31 et la Figure 5.32 qui montrent les variations de la phase du coecient de réexion en fonction de l'épaisseur de la SHI en simulation (mode de Floquet) pour respectivement la bande basse et la bande haute.
Nous constatons que le décalage en fréquence est aussi important pour la fréquence basse que pour la haute. Nous ne pourrons donc pas régler le décalage de la fréquence basse uniquement avec cette technique.
Les mesures faites avec le dipôle à 1,17GHz avec le Balun large bande pour trois épaisseurs de SHI diérentes (4, 7 et 10 mm) conrment ceci. Les résultats de ces mesures ont déjà été présentés sur la Figure 5.30. Une comparaison des décalages en fréquences entre mesure et simulation pour les deux bandes de la SHI pour une même variation d'épaisseur (entre 4 et 7mm) est présentée dans le Tableau 5.7.
Variation de fréquence entre 4 et 7mm Simulations Mesures
Bande basse de la SHI 9% 10%
Bande haute de la SHI 10% 8%
Table 5.7 Comparaison des décalages en fréquences entre mesure et simulation pour les deux bandes de la SHI entre 4 et 7mm
L'idéal serait d'avoir une SHI avec laquelle nous pourrions avoir une hauteur
Figure 5.31 Phase du coecient de réexion pour une cellule bi-bandes en simu- lation excitée par le premier mode de Floquet pour diérentes épaisseurs autour de la bande basse (L5)
Figure 5.32 Phase du coecient de réexion pour une cellule bi-bandes en simu- lation excitée par le premier mode de Floquet pour diérentes épaisseurs autour de la bande haute (L1)
fecte quasiment uniquement la fréquence basse. Le paramètre qui joue le plus sur la fréquence basse est la capacité liée aux cellules-L5.
Ceci est illustré par la Figure 5.33 et la Figure 5.34, qui représentent la variation de la phase du coecient de réexion de la SHI pour diérentes valeurs de capacités des cellules-L5 pour respectivement la bande basse et la bande haute.
Figure 5.33 Phase du coecient de réexion pour une cellule bi-bandes en simu- lation excitée par le premier mode de Floquet pour diérentes valeur de la capacité associée aux cellules-L5 autour de la bande basse (L5)
Nous constatons, à partir du Tableau 5.8 qui regroupe la variation en fréquence sur les deux bandes en simulation, que la variation de la capacité des cellules-L5 fait varier aussi bien la fréquence basse que la haute mais dans des proportions moindres.
Figure 5.34 Phase du coecient de réexion pour une cellule bi-bandes en simu- lation excitée par le premier mode de Floquet pour diérentes valeur de la capacité associée aux cellules-L5 autour de la bande haute (L1)
Variation de fréquence entre 0,1 et 0,6 pF Simulations
Bande basse de la SHI 13%
Bande haute de la SHI 8%
Table 5.8 Comparaison des décalages en fréquences en simulation pour les deux bandes de la SHI entre 0,1 et 0,6 pF
Figure 5.35 Feuille avec des patchs métalliques pour la réalisation de capacités plaques parallèles avec la surface périodique existante
Les résultats des mesures associées à l'ajout de ces capacités sont présentées sur la Figure 5.36.
Les résultats en mesures sur la variation des fréquences en fonction des capac- ités sont présentés dans le Tableau 5.9.
Variation de fréquence Mesures Bande basse de la SHI 7%
Bande haute de la SHI 6%
Table 5.9 Comparaison des décalages en fréquences en mesure pour les deux bandes de la SHI entre le maximum de capacité ajouté et pas de capacité ajouté
Nous constatons donc que l'augmentation de la valeur des capacités des cellules L5 permet bien de diminuer la fréquence de résonance de la bande basse. L'eet
Figure 5.36 Variation du coecient de réexion de l'antenne par ajout de capacités sur les cellules L5. La courbe noire représente la SHI de base et les courbes bleue, verte et rouge montrent des SHI avec des capacités L5 de plus en plus fortes
5.4.3 Conclusions sur le réglage des fréquences
Sans réaliser une nouvelle SHI, nous n'arrivons pas à récupérer la bande L5 sans toucher à la bande L1. Nous avons toutefois identié les paramètres permettant le réglage indépendant des bandes de fréquences. Nous avons aussi identié l'erreur qui a entraîné le décalage de la bande basse par rapport aux simulations. Les capacités des cellules-L5 réalisées ne sont en eet pas aussi fortes que celles de la simulation.
Nous pouvons cependant constater ici, qu'avec le dipôle hors bande à 1,17GHz, nous obtenons les deux bandes voulues en ajoutant les capacités L5. Pour la courbe verte de la Figure 5.36, nous constatons que le dispositif fonctionne bien dans les bandes voulues. Les spécications GNSS en bande passante sont respectées et nous avons une réduction d'épaisseur de 30% par rapport à l'antenne àλ/4au-dessus d'un plan métallique.
Nous notons cependant que nous avons une troisième bande ici que nous n'u- tiliserons pas (la deuxième bande de la SHI). Une SHI mono-bande sut à un fonc- tionnement de ce type. Une SHI bi-bandes permet d'avoir un fonctionnement tri- bandes (nous pouvons alors penser à régler la bande basse de la SHI sur la bande L2 du GPS à 1,21GHz).
Ainsi sur la courbe verte, nous obtenons bien les bandes L5 et L1 du GNSS, en plus d'une troisième bande à 1,38GHz. La comparaison des performances de ce système avec les spécications est donnée dans le Tableau 5.10.
Ce système remplit donc quasiment les spécications en fréquence (léger dé- calage en fréquence sur la fréquence haute), pour une réduction de hauteur de 55%
par rapport au même dispositif àλ1,17/4. Il est en revanche en polarisation rectiligne
Spécications Mesures système dipôle large bande+ SHI capa L5 renforcée
Fréquence basse 1,175GHz 1,18GHz
Bande passante basse 24MHz 50MHz
Fréquence haute 1,575GHz 1,56GHz
Bande passante haute 2MHz 20MHz
Table 5.10 Comparaison des mesures du système avec un dipôle à 1,17GHz et un balun large bande sur une SHI avec des capacités L5 renforcées par rapport aux spécications GNSS
alors que nous cherchons une polarisation circulaire.
5.5. Conclusions
Dans ce chapitre nous avons donc montré qu'une antenne ne peut pas être placée dans le plan d'un réecteur SHI pour fonctionner ecacement. Dû au fort couplage entre les deux éléments il faut les séparer d'une certaine distance que nous avons identiée. L'étude du couplage nécessite d'être approfondie, cependant nous trouvons ici une hauteur limite entre λ/8 et λ/10. Comme nous souhaitons une miniaturisation en épaisseur nous choisissons une hauteur ha réalisant un bon com- promis entre bande passante, adaptation et épaisseur minimale pour les deux bandes de fréquences qui nous intéressent. Les mesures sont donc faites pour une distance ha=25 mm (taux de réduction d'épaisseur de 30% pour L1 et 55% pour L5). Les résultats de mesures faites pour diérents dipôles montrent que la SHI bien qu'ayant ses bandes décalées par rapport aux simulations fonctionne bien comme une CMA dans deux bandes. De ces mesures nous remarquons en plus que nous pouvons ex- citer et faire rayonner la SHI dans ses bandes pour un excitateur hors de ces bandes.
Nous obtenons des diagrammes de rayonnement légèrement plus directif que ceux du dipôle à λ/4d'un CEP et des niveaux de gain maximums supérieurs.
De plus, nous constatons que le décalage en fréquence sur la bande basse de la SHI est dû à une erreur entre la simulation et la réalisation des capacités des cellules- L5. Néanmoins , nous avons identié les paramètres qui permettent le réglage des bandes de fréquences. Ainsi en réévaluant les capacités, et en fabriquant une nouvelle SHI nous pourrions obtenir une SHI dans les bandes GNSS adéquates.
Pour nir, en combinant l'excitation hors bande et l'ajout de capacités sup- plémentaires nous obtenons une structure en polarisation rectiligne tri-bande, dont deux des bandes sont conforment aux spécications du GNSS sauf en terme de po-
Nous avons vu dans le chapitre précédent que la SHI fonctionne correctement pour ses deux bandes (même si ce ne sont pas les bandes que nous visions au dé- part). Elle présente donc dans ces bandes un comportement de CMA permettant la réduction d'épaisseur du dispositif antenne/SHI de 30%. Ceci a été vérié pour des antennes en polarisation rectiligne, or nous cherchons un dispositif en RHCP. Nous allons donc maintenant nous focaliser sur la poursuite de la polarisation circulaire.
Nous allons donc utiliser dans ce chapitre des antennes en polarisation circulaire.
Nous commençons par l'étude d'un dipôle croisé conçu a une fréquence hors des bandes de la SHI et qui excite et fait rayonner la SHI dans ses bandes. Nous nous orientons ensuite vers une solution avec une antenne spirale qui grâce à sa large bande passante permet de couvrir l'ensemble des fréquences GNSS et donc des bandes de la SHI. Nous nissons par optimiser l'épaisseur du dispositif complet et de vérier son bon fonctionnement.
6.1. Généralités
6.1.1 La polarisation circulaire
La polarisation du champ électromagnétique rayonné par une antenne est don- née par la trace dans un plan xe de l'évolution temporelle du vecteur champ élec-
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trique lorsque l'onde s'éloigne de l'émetteur. La polarisation peut être rectiligne, circulaire, ou elliptique. Dans un système de coordonnées sphériques, le plan de po- larisation est le plan perpendiculaire à la direction de propagation, tangent à la sphère de rayon R. Dans le cas général l'ellipse de polarisation se dénit par ses composantes vecteurs (Eθ ,Eφ ), elle est exprimée par la relation :
E=E0e−jkr
r uˆ (6.1)
Avecuˆ=αEθ+βEφ et|α|2+|β|2= 1 En temporel nous avons : E(t) = E0
r [|α|cosωt−kr+arg(α)Eθ+|β|cosωt−kr+arg(β)Eφ] (6.2) L'équation de l'ellipse de polarisation représentée sur la Figure 6.1 s'exprime par :
Eθ2(t) Eθm
+ Eφ2(t) Eφm
−2 cosδEθ(t)Eφ(t) EθmEφm
−sinδ2= 0 (6.3)
Figure 6.1 Ellipse de polarisation
Avec ici δ =αθ−αφ la diérence de phase entre la composante suivantθ et celle suivantφ.
Les paramètres caractéristiques de la polarisation du champ électrique sont l'angleψcompris entre0◦ et180◦ que forme le grand axe de l'ellipse avec la direction Eθ.
tan 2ψ= 2EθEφcosδ
Eθ2−Eφ2 (6.4)
axial est inférieur à 0,5 (ou 3dB).
6.1.2 Recombinaison des mesures en RHCP
Les mesures faites en chambre nous donne les paramètres S, du quadripôle réalisé par l'antenne cornet et notre système. Comme nous l'avons vu dans le chapitre précédent, nous nous servons de l'équation des télécommunications pour avoir le gain de notre système à partir du coecient de transfertS21.
Nous avons besoin des gains RHCP et LHCP pour que les résultats de mesures avec les antennes circulaires soient pertinents. Or les mesures nous donnent un équiv- alent de champ issu du S21 suivants θ et φ, il faut donc recombiner ces champs en RHCP et LHCP. Nous avons en RHCP :
RHCP = 1
√2(H−jV) (6.7)
Et en LHCP :
LHCP = 1
√2(H+jV) (6.8)
Avec H porté par θ et V porté parφ.
6.1.3 Le dipôle croisé
Nous réalisons un dipôle croisé pour une fréquence en dehors des bandes de fonctionnement de la SHI bi-bandes. Le dipôle croisé est une antenne en polarisa- tion circulaire. En excitant la structure hors bandes en polarisation circulaire, nous
voulons voir comment réagit la surface SHI et notamment voir si elle rayonne en polarisation circulaire.
Principe de fonctionnement
Le dipôle croisé est créé en mettant en quadrature spatiale deux dipôles clas- siques. Pour créer la polarisation circulaire nous alimentons le deux dipôles en quadra- ture de phase. Ainsi la polarisation circulaire créée est la combinaison de deux po- larisations rectilignes en quadrature de phase. Le fonctionnement de ce dipôle en polarisation circulaire repose donc sur une bonne excitation.
Excitation
Chacun des deux dipôles doit avoir une excitation équilibrée pour fonctionner correctement, nous mettons donc en entrée de chaque dipôle un balun λ/4. Ceci est ce qui a déjà été réalisé pour les dipôles simples. Nous devons en plus créer ici un déphasage de 90◦ entre les deux dipôles. Nous branchons donc un coupleur réalisant ce déphasage en entrée des deux dipôles. Le schéma du dipôle croisé avec son excitation est montré en Figure 6.2.
Figure 6.2 Schéma du double dipôle en polarisation circulaire
Figure 6.3 Schéma d'une spirale d'Archimède à deux brins
Nous retenons ici que par la suite nous exciterons le mode 1 de la spirale.
6.1.5 Simulations
Les antennes en polarisation circulaire, autant le dipôle croisé que la spi- rale, ne présentent malheureusement pas les même symétries électromagnétiques que les dipôles simples. Nous ne pourrons donc pas réduire la taille du problème an- tenne+SHI. La taille des simulations comprenant le dispositif entier est bien trop élevée et aucune de celles que nous avons entreprises n'a abouti à des résultats perti- nents. Les simulations présentées dans ce chapitre ce limiteront donc aux simulations des antennes àλ/4 d'un plan métallique.
6.2. Dipôle croisé sur SHI
6.2.1 Réalisation
Le dipôle croisé a été réalisé comme les dipôles simples précédents, c'est-à-dire avec du scotch cuivre collé sur un support plastique. Chacun des deux dipôles est alimenté par un balun quart d'onde et chaque entrée des baluns est reliée à une des sorties d'un coupleur. Une photo du dipôle réalisé est en Figure 6.4.
Figure 6.4 Vue de dessus du dipôle croisé réalisé
Les dimensions du dipôle sont choisies de telle sorte qu'il fonctionne pour une fréquence en dehors des bandes de la SHI. Ainsi nous avons Wd=12mm, gd=6mm et Ld=50mm. L'espace au centre des dipôles ne permettant pas en pratique d'avoir ces dimensions nous chanfreinons les deux dipôles au centre.
6.2.2 Mesures
Comme pour les mesures eectuées avec les antennes en polarisation rectiligne, les mesures avec les antennes en polarisation circulaire sont faites en chambre ané- choïque. Nous ajoutons aux résultats de mesures l'information sur le rapport axial
Figure 6.5 Coecient de réexion mesuré pour le dipôle à 1GHz à 25mm au-dessus de la SHI en vert et en rouge le même dipôle àλ1/4d'un CEP
Les trois fréquences de résonances du système dipôle croisé + SHI sont 1GHz, 1,46GHz et 1,62GHz. Ces résonances ne sont pas très marquées. Nous constatons ici que la fréquence de résonance du dipôle est décalée et est à 1GHz.
Nous constatons comme pour les mesures en polarisation rectiligne que le gain total de l'antenne sur la SHI est plus élevé (directivité augmentée car antenne+SHI plus grande) que le dipôle de référence. Nous constatons aussi au vu des gains en fréquences que le dipôle croisé est en polarisation RHCP de bonne qualité.
Le rapport axial indique que le système antenne + SHI est en RHCP pour 1GHz, 1,5 GHz et 1,62GHz. Bien que la fréquence de résonance du dipôle soit très éloignée des bandes de la SHI, Nous constatons une réponse de la SHI dans ses
Figure 6.6 Gain (dBi) calculé à partir des mesures pour le dipôle à 1GHz à 25mm au-dessus de la SHI. Le gain total est en vert, en rouge le gain RHCP, et en bleu foncé le gain LHCP et respectivement pour les même couleurs avec des tirets la même chose pour le même dipôle à λ1/4 d'un CEP
Figure 6.7 Rapport axial mesuré pour le dipôle à 1GHz à 25mm au-dessus de la SHI en vert et en rouge le même dipôle à λ/4 d'un CEP
grammes sont plus directifs que la référence dans les bandes de la SHI. Pour la fréquence la plus haute, à 1,6GHz, le rayonnement est plus perturbé. Cependant, la mesure du diagramme a été faite pour une fréquence de 1,6GHz alors que d'après le rapport axial la meilleure polarisation est pour 1,62GHz.
6.2.3 Conclusions
Nous venons de montrer que la SHI réagit bien à une excitation hors bande en polarisation circulaire. Une conception plus soignée du dipôle pourrait apporter de meilleurs résultats, notamment en utilisant des Baluns large bande pour l'excitation des deux dipôles. Si nous combinons ceci avec la conception de dipôle plus haut en fréquence, nous pourrions exciter correctement la bande haute de la SHI. Nous préférons concevoir une antenne large bande qui couvrira toute la zone de mesure souhaitée cette antenne fonctionnant avec un balun large bande. Nous allons donc utiliser pour la suite de l'étude une antenne spirale d'Archimède. Nous ne regardons plus l'excitation hors bandes mais le couplage entre l'antenne spirale et les bandes de la SHI dans des bandes communes.
6.3. l'antenne spirale sur la SHI
Nous concevons une antenne spirale capable de couvrir toute la bande GNSS entre 1,17GHz et 1,575GHz. Cette antenne sera alimentée par un Balun large bande, le même que celui qui a déjà été utilisé avec le dipôle en polarisation rectiligne. Ce balun couvre donc en simulation toute la bande qui nous intéresse.
Figure 6.8 Diagramme de rayonnement en gain mesuré pour le dipôle à 1GHz à 25mm au-dessus de la SHI en rouge le gain RHCP, et en bleu foncé le gain LHCP et respectivement pour les même couleurs avec des tirets la même chose pour le même dipôle à λ1/4d'un CEP
Figure 6.9 Photo de la spirale réalisée
6.3.2 Spirale sur SHI
Nous plaçons la spirale réalisée à 25mm au-dessus de la SHI.
Coecient de réexion, gain et rapport axial
Les résultats de mesures de la spirale sur la SHI sont donnés pour le coecient de réexion sur la Figure 6.10, le gain sur la Figure 6.11 et le rapport axial sur la Figure 6.12. La comparaison présentée sur ces gures avec la référence, c'est-à-dire la spirale à λ/4 d'un CEP est faite pour une longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la spirale, soit 1,36GHz.
Figure 6.10 Coecient de réexion mesuré pour la spirale à 25mm au-dessus de la SHI en vert et en rouge la même spirale àλ1,36/4 d'un CEP
Si nous regardons la bande passante de la spirale en adaptation nous constatons que celle-ci couvre bien toute la bande GNSS. On constate aussi entre les deux bandes de la SHI un passage en polarisation rectiligne. Nous ne l'avons pas vérié mais il se peut que ceci soit causé par une bande interdite créée dans la SHI. Par rapport à l'excitation avec le dipôle croisé, cette coupure est plus marquée avec la spirale car celle-ci couvre en bande passante les bandes de la SHI.
Si nous regardons maintenant la bande passante en polarisation, nous consta- tons que la spirale présente une bonne polarisation RHCP dans les deux bandes de la SHI, ici à 1,54 et 1,62 GHz. A basse fréquence (vers 1,3 GHz), la SHI ne présente pas de bandes de fonctionnement, la polarisation RHCP de la spirale est alors dégradée à cause de la faible hauteur entre la spirale et la SHI qui est vue comme un CEP.
La bande passante des bandes de la SHI avec la spirale est donc de 9% sur la bande basse et est plus étroite pour la bande haute (2,5%).
Figure 6.11 Gain (dBi) calculé à partir des mesures pour la spirale à 25mm au- dessus de la SHI. Le gain total est en vert, en rouge le gain RHCP, et en bleu foncé le gain LHCP et respectivement pour les même couleurs avec des tirets la même chose pour la même spirale àλ1,36/4 d'un CEP
Figure 6.12 Rapport axial mesuré pour la spirale à 25mm au-dessus de la SHI en vert et en rouge clair la même spirale àλ1,36/4 d'un CEP